变频调速的基本控制方式和机械特性

变频调速的恒转矩控制
•E1/f1恒定
根据异步电动机定子每相绕组感应电动势
E1 4.44f1N1k1m
式中 N1－定子绕组每相串联匝数； k1－基波绕组系数； Φm－每相气隙磁通
为保持Φm不变，在改变电源频率f1的同时，必须按比例改
变感应电动势E1，亦即
E1 const
f1
这就要求对感应电动势和频率进行协调控制。显然，这是 一种理想的保持磁通恒定的控制方法。
变频调速的恒转矩控制
r1
jx1
jx
' 2
•
I1
•
U1
rm
•'
I2
•
•
•'
IO
E1 E2
r2'
s
jxm
图3－1 异步电动机稳态等效电路
变频调速的恒转矩控制
转子电流
式中
E
' 2
势；
x
' 2
I
' 2
E
' 2
( r2' s
)2
x
' 2
2
E1
( r2' s
)2
x
' 2
2
－折算到定子频率（即s=1）定子绕组和每相感应电动
在低频段提高定子电压U1，目的是补偿定子漏阻抗 压降，近似地维持E1/f1恒定。 电压补偿虽可有效改善机械特性，但在低频空载时 ，亦减小补偿，避免Φm较大。
变频调速的恒转矩控制
n
加补偿
U1 const f1
f1N
f
图3－4 常用补偿曲线
变频调速的恒功率控制
• 在额定频率（基频）以上调速时，鉴于电动机绕 组是按额定电压等级设计的，超过额定电压运行 将受到绕组绝缘强度的限制，另一方面电源电压 决定了加到定子上电压的峰值，因此定子电压不 可能与频率成正比地升高，只能保持在额定电压 ，即U1＝U1N。由定子感应电势表达式可知，这 时气隙磁通随着频率f1的升高而反比例下降，类 似于直流电动机的弱磁升速。
变频调速的恒功率控制
体现定子电压、供电频率及电动机参数关系的机械 特性方程式如下：
电磁转矩
T
m1pU12r2' / s
2f1[(r1
r2' s
)2
(x1
x
' 2
)
2
]
令dT/ds=0，即可求出最大转矩对应的转差率
sm
r2'
r12
(x1
x
' 2
)
2
变频调速的恒功率控制
相应的最大转矩为
Tm m1p N U12
U1 E1 4.44f1N1k1m
因此保持U1/f1=const可以近似地维持Φm恒定，从而实现近 似的恒磁通调速，这可通过对定子相电压和频率进行协调 控制来实现。 由异步电动机的稳态等效电路可以导出保持U1/f1恒定时的 机械特性方程。
变频调速的恒转矩控制
转子电流
I
' 2
式中 C1 1 x1 / x m 1
恒功率控制与恒转矩控制的结合
n
两种控制方法，
在应用中有时需
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要将两者结合起
来使用：当从额
定频率往低调速 时，采用恒转矩
n0
控制（必要时加
补偿）；当从额
定频率往高调速
时，采用恒功率
控制方式。恒P
时DCΦ机m弱↓磁，调类速似。于
f1>f1N
f1N 图 1-3
f1<f1N
T Tm
sm
r2'
r12
(x1
x
' 2
)
2
最大转矩
Tm
m1p ( U1 )2 82 f1
r1
2f1
1
( r1 2f1
)2
(L1
L'2 )2
式中 L1 －定子每相漏感；
变频调速的恒转矩控制
结论：
（1）保持U1/f1恒定进行变频调速时，最大输 出转矩将随f1的降低而降低。
（2）直线部分斜率不变（硬度相同），这点 只在转差率趋近于零（即s→0）时才成立。
U1
(r1
C1
r2' s
)2
( x1
C1x2' )2
xm－与气隙主磁通相对应的定子每相绕组励 磁电抗；
电磁转矩
x1－定子绕组每相漏抗； r1－定子绕组每相电阻；
T
Pm 1
m1p ( U1 )2 2 f1
(r1
f1r2' / s
r2' s
)2
(x1
x
' 2
)
2
变频调速的恒转矩控制
令dT/ds=0，可以求得产生最大转矩时的转差率
转矩下降，如果负载转矩仍保持不变，势必导致定、转子过
电流，也要产生过热，故而希望保持磁通恒定，即实现恒磁 通变频调速。
异步电动机定子绕组的感应电势为 E1 4.44f1N1k1 m
如果忽略定子绕组压降，则感应电动势近似等于定子外加电
压
U1 E1 C1f1 m
式中 C1－常数；C1＝4.44N1k1。
－折算到定子频率、定子绕组的转子每相漏抗；
r2' －折算到定子绕组的转子每相电阻。
电磁功率
Pm
m1I
' 2
2
r2' s
式中 m1－定子相数
电磁转矩
T
式中 1 －同步机械角速度
Pm 1
Pm 2f1 / p
m1p ( E1 )2 2 f1
f1r2' / s
( r2' s
)2
x
' 2
2
变频调速的恒转矩控制
变频调速的恒功率控制
n f4
f1N<f2<f3<f4
f3 f2 f1N
T
图3－5 保持U1为额定电压时变频调速的机械特性
变频调速的恒功率控制
（3）当保持电压为额定值且s变化范围不大 时，如果频率f1增加，则转矩T减小，而同 步机械角速度 1 2f1 / p将随频率增加 而增加。这就是说，随着频率增加，转矩 减小，而转速增加。根据 Pm T 可 近似地看作恒功率调速。
•相对于过去的旋转机组而言，由新型功率半导体器 件构成的变频器称作静止式变频器。
•静止式变频器的出现大大促进了变频调速技术的普 及。
–在工业发达国家，变频器应用已经非常普遍，变 流调速取代直流调调速，已占据调速传动的绝对 统治地位。
–目前，我国变频调速技术的应用越来越广泛，进 口产品几乎统治着整个国内市场，国产变频器正 在奋起反击，主要应用于专业领域，如专为印染 、纺织产业的配套，专业性较强，关注于一定行 业的应用，大有在夹缝中求生存的味道。影响变 频技术进一步推广的主要原因是价格昂贵，每kw 在一千元左右，大功率的相对便宜一些。变频器 的开发设计和变频器的应用都离不开对基础知识 的掌握。
• 异步电动机的转速可表示为：
n
n0
(1
s)
60f1 (1 p
s)
式－中极：对n数0－；同步s－转转速差；率。f1－定子电源频率； p
从上式可以看出，异步电动机调速可以通过三条
途 s。径其进中行变：频变就频是率改f1变、供改电变电极源对频数率p和f1，改同变步转转差速率 也随之变化，从而改变电动机转速。变频调速范
（3）在负载转矩不变时，电动机的过载能力 降低。
变频调速的恒转矩控制
图3－3 保持U1/f1恒定时变频调速的机械特性
变频调速的恒转矩控制
•带电压补偿（函数发生器补偿）的恒U1/f1控制 采用U1≈E1，使控制易于实现，但也带来误差，由 异步电动机的稳态等效电路图3－1可知，U1扣除定 子漏抗压降之后的部分即由感应电动势E1所平衡。 显然，被忽略掉的定子漏抗压降在U1中所占比例的 大小决定了它的影响。
交流调速系统
变频器的控制方式与机械特性
•变频调速是实现电动机平滑调速的最理想方法。变 频调速是通过改变电动机定子绕组的供电频率来改 变同步转速来实现交流电动机转速的调速。
•为了提供变频电源，人们曾采用多种方法，比如20 世纪50年代研究旋转变频机组，重新发电，机械设 备庞大，可靠性差，一直没有得到实际应用。20世 纪70年代以来，随着电力电子及大功率半导体器件 的迅速发展，人们对变频调速技术的研究又重新兴 起，并且现在已经成为高科技领域研究和应用的热 点之一。
变下化降若而，定磁变子化通供。会电如增电果加压频，U率1造不f成1变从磁，额路则定过气值饱隙（和磁通，通常使Φ为励m将5磁0随H电z频）流率往 增加，这将使电动机带负载能力降低，功率因数变 坏，铁损增加，电动机过热。反之，如果频率从额 定值（通常为50H）往上升高，磁通将减少，由异步 电动机的转矩公式
围宽、平滑性好、效率最高、具有优良的静态及
动态性能，是应用最为广泛的一种交流调速方式 。
•恒磁通控制
为了充分利用铁芯材料，在设计电动机时，一般将额定工作
点选在磁化曲线开始弯曲处，也就是书中提到的“临界值附 近”，即磁化曲线的线性区顶部。磁通Φ太小，没有充分利 用铁芯材料是一种浪费。磁通大小直接决定着电磁转矩（出 力）。若磁通Φ＞ΦN（额定工作点），将引起铁芯过分饱和 ，励磁电流过大，绕组过热；而励磁减小，将使电动机输出
2 f1
r2'
说明s很小时机械特性近似为直线，在此直线上，带负载产生的转速
降为
n
sn1
60 p sf1
60 p
2r2' T
m1p(
E1 f1
)
2
上式表明，保持E1/f1恒定进行变频调速时，对应于同一转矩T，转速 降基本不变，亦即直线部分斜率不变（硬度相同），机械特性平行
地移动。
（3）在变频调速过程中，即频率变化前后，电动机的过载能力应 相等。
为求得最大转矩，令dT/ds=0，由此得到产生最大转
矩时的转差率
sm
r2'
x
' 2
其相应的最大转矩为
Tm
m1p ( E1 )2 82 f1
1 L'2
式中 L'2 －转子每相漏感（折算到定子绕组）。
变频调速的恒转矩控制
结论：
（1）保持E1/f1恒定进行变频调速时，最大转矩保持不变。
（2）当s很小时， T m1p ( E1 ) 2 sf1 s
T CM mI2 cos 2
可转以矩看T的出下，降磁，通使Φ电m的动减机小的势利必用导率致降电低动，机在匀一许定输的出负 载下有过电流的危险。正是基于上述原因，一般要 求磁通保持恒定即Φm＝const。 为了保持磁通恒定，必须保持电压/频率比值不变， 即恒压频比控制，也就是恒磁通控制方式所要遵循 的协调控制条件。
1
4 f1[r1 r12 42f12 (L1 L'2 )2 ]
可见，保持电压为额定值进行变频调速时， 最大转矩将随f1的升高而减小。
变频调速的恒功率控制
结论：
（1）保持电压为额定值进行变频调速时，最大转矩将随f1的升高而 减小。
（2）当s很小时，有 可进一步简化为
r2' / s r1及
T m1pU12 •
r2'
/
s
(x1
x
' 2
)，转矩公式
s s
2 f1r2'
此时，T与s关系近似为一条直线，在此直线上有
s 2f1r2' T m1p N U12
带负载后的转速降为
n
sn1
60 f1 pN
s
120r2'T
m1 pNU12
f12
保持U1≈E1进行变频调速时，对应于同一转矩T，转速降Δn随f1的增 加而平方倍加大，频率超高，转速降越大，即直线部分的硬度随f1 增加而迅速变软。
变频调速的恒转矩控制
I
+ r1 U1
-
x1 + m E1 -
图 1-1
变频调速的恒转矩控制
•恒转矩控制
由异步电动机的转矩表达式 T CMmI2 cos 2 可知，电动机在变频调速过程中，若等于电动 机的转子额定有功电流，磁通Φm保持不变，那 么电动机的输出转矩也是恒定的，即变频调速 前后，输出转矩不变，可实现恒转矩调速。在 变频调速过程中，要获得恒转矩调速特性，必 须采用电压/频率协调控制。
k
' m
Tm ' / TN'
，按照过载能
力。相表T等明N的输条出T件转N'，矩保不持变，E1/属f1于恒恒定转时矩，调T速m 。 Tm' ，则
变频调速的恒转矩控制
•U1/f1恒定
实际上由于感应电动势难以直接控制，保持E1/f1恒定只是 一种理想的控制方法。当忽略定子漏抗压降时，近似地可 以认为定子相电压
变频调速的恒转矩控制
n f1N>f1>f2>f3
f1N f1 f2 f3
T
图3－2 保持E1/f1恒定时变频调速的机械特性
变频调速的恒转矩控制
（3）在变频调速过程中，即频率变化前后，电动机的过载 能力应相等。
据电机学过载能力 k m Tm / TN
式中 TN为额定转矩。
设调速前 km Tm / TN ，调速后